Tło i dywagacje
Witaj w moim szóstym wpisie na blogu! Zgodnie z tradycją wnoszę do niego odrobinę osobistego akcentu. Ilu z nas pamięta, kiedy analizowało swoją pierwszą kratownicę? Ja miałem 18 lat i byłem w drugim roku szkoły średniej, przygotowując się do egzaminów A Levels. Przedmiotem było rysunek techniczny, a metodą notacja Bowa.
Ilu (starszych) inżynierów to pamięta? Kilka lat później kratownica była pierwszym systemem konstrukcyjnym, który wykonałem na uczelni – co prawda z trzema innymi członkami zespołu. Została cięta, wiercona, skręcana śrubami i badana aż do zniszczenia – co, śpieszę dodać, nie trwało zbyt długo!
Kratownice występują oczywiście w wielu kształtach i rozmiarach i są wykonywane z tak wielu różnych materiałów, że trudno je zliczyć – pamiętacie konstrukcje ze słomek do picia? Wspólnym mianownikiem zawsze były jednak złącza – nie tylko to, jak należy je traktować, ale także jak należy je projektować. Przy swoich rozmiarach zapewniają wyjątkową nośność, co jest jednym z powodów, dla których są rozwiązaniem „pierwszego wyboru” w trudnych sytuacjach!
Zawsze miałem słabość do drewna – prawdopodobnie dlatego, że jestem zapalonym pasjonatem historycznych budynków i budownictwa. Drewno było pierwszym materiałem konstrukcyjnym używanym do tworzenia kratownic. Drewniane kratownice sięgają 2500 roku p.n.e. Starożytni Grecy stosowali je w swoich dachach, a w architekturze średniowiecznej były bardzo powszechne.
Wiele dawnych stodół dziesięcinnych zbudowano tymi metodami. Złącza formowano w drewnianych elementach za pomocą tradycyjnego połączenia czopowego z drewnianymi kołkami lub podobnymi rozwiązaniami. Narzędzia, którymi dysponowali dawni rzemieślnicy, były dość ograniczone, co zaowocowało trójwymiarowymi dziełami sztuki, a nie tylko konstrukcją chroniącą przed wiatrem i deszczem.
Drewniane kratownice od zawsze były stosowane w budownictwie mieszkaniowym, od średniowiecznych dworów po współczesne domy. Radykalnie zmieniły się natomiast stosowane metody i formy. Dzisiejsze nowoczesne kratownice dachowe ze smukłymi elementami i projektowanymi płytkami łączącymi mają niewiele wspólnego z obrazem powyżej.
Analizując rozwój kratownic stalowych, trzeba najpierw spojrzeć na żelazo, zarówno lane, jak i kute, oraz na jego rolę. Sektorem w dużej mierze odpowiedzialnym za ten rozwój jest transport – pomyślmy o kolei (na całym świecie).
Na całym globie można znaleźć wiele znakomitych przykładów:
Kratownica soczewkowa Brunela – Royal Albert Bridge - żelazo
Most kolejowy Firth of Forth - stal
Skoro mosty prowadziły w dziedzinie pomysłowego i eleganckiego projektowania, kto miał dorównać im w budownictwie kubaturowym? W 1889 roku w Paryżu zbudowano „Żelazną Damę” (znaną również jako Wieża Eiffla). Choć została wzniesiona z żelaza kutego, jest prawdopodobnie jedną z najbardziej ikonicznych budowli wykorzystujących kratownice i pracę kratownicową na świecie.
Oczywiście nowoczesne konstrukcje coraz częściej opierają się na kratownicach, aby sprostać szczególnym warunkom lub uzyskać duże rozpiętości bez podpór. Istnieje kilka rodzajów kratownic, niektóre z nich mają specjalne nazwy:
- kratownica łukowa
- kratownica wachlarzowa
- kratownica Finka
- kratownica gambrelowa
- kratownica Howe’a
- kratownica wieszarowa
- kratownica dwusłupkowa
- dźwigar Vierendeela (rodzaj kratownicy)
- kratownica Warrena
- itd.
Analiza konstrukcji, metody projektowania i materiały uległy zmianie, ale jedna rzecz pozostaje stała: trudne projektowanie połączeń. Kluczowe znaczenie ma prawidłowe określenie wymaganych obciążeń kratownicy (i każdej konstrukcji). Wiele kratownic ma swoje korzenie w geometrii, dlatego ważne jest, aby geometria była również uznawana za istotny, czasem architektoniczny, czynnik.
A co z IDEA StatiCa?
Same elementy (w kratownicy stalowej) są często smukłe, a w konsekwencji podlegają dodatkowym efektom, które mogą skłonić projektanta do rozważenia bardziej zaawansowanych form analizy. Oprogramowanie, które łączy wszystkie te wymagania z łatwą w obsłudze funkcjonalnością, jest dziś absolutnie niezbędne w świecie inżynierii konstrukcyjnej.
Na szczęście istnieje IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection pozwala bezpiecznie i efektywnie projektować dzisiejsze złożone połączenia kratownic – dostępne są również zaawansowane połączenia drewniane (z użyciem płytek). Może korzystać z modelu obliczeniowego z kilku programów MES za pomocą aplikacji o nazwie IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot stanowi łącze między programami MES a IDEA StatiCa Connection. Jeśli projektant ma wątpliwości co do elementów kratownicy, mamy do dyspozycji IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot może również obsługiwać to rozwiązanie.
Jakie miejsce zajmuje IDEA StatiCa? Rozważmy prosty, ale istotny przykład:
Są to prawdopodobnie najbardziej niedoceniane konstrukcje w dzisiejszej sieci drogowej. Podlegają wszystkim typowym rodzajom obciążeń: stałym, zmiennym, wiatrem, śniegiem i oblodzeniem. Dochodzą do tego ewentualne obciążenia dynamiczne. A wszystko to w dążeniu do zaprojektowania czegoś, co można efektywnie wytworzyć i szybko zmontować.
Przykład ten został uproszczony, ponieważ chcemy skupić się na współpracy z rozwiązaniem IDEA StatiCa.
Krok 1 – Analiza metodą elementów skończonych
Konstrukcję zamodelowano, przeanalizowano i zwymiarowano w odpowiednim programie do analizy metodą elementów skończonych (MES) – w tym przypadku w Autodesk Robot Structural Analysis. Pełną listę obsługiwanych aplikacji znajdziesz na naszej stronie internetowej.
Wtyczkę IDEA StatiCa Checkbot uruchomiono z poziomu programu Robot. Instalacja większości takich wtyczek w pozostałych obsługiwanych aplikacjach odbywa się automatycznie, aby ich użycie było jeszcze szybsze i łatwiejsze.
Krok 2 – Eksport do Checkbot
Elementy i połączenia są wybierane w programie Robot i eksportowane do Checkbot. W przypadku wprowadzenia zmian model w Checkbot można również zsynchronizować z modelem MES. Obciążenia zewnętrzne wprowadzone w modelu MES są wykorzystywane do analizy globalnej, a siły wewnętrzne – siły osiowe, ścinanie i momenty – są przekazywane do Checkbot. Po przesłaniu do Checkbot są dostępne zarówno w Connection, jak i w Member.
W Checkbot można również wizualizować efekty obciążenia.
Elementy w IDEA StatiCa Checkbot można także scalać – dzięki temu elementy ciągłe złożone z krótszych odcinków można połączyć na potrzeby projektowania połączenia. W tym przykładzie w ten sposób zmodyfikowano elementy pasa dolnego. Pas górny natomiast nie został zmodyfikowany, ponieważ w jego połączeniu nie jest to potrzebne. Jest to bardzo przydatne w przypadku programów MES, w których elementy ciągłe muszą być modelowane w ten sposób.
Krok 3 – Projektowanie i sprawdzanie połączeń
Połączenia można projektować i sprawdzać w IDEA StatiCa Connection, a elementy można sprawdzać w IDEA StatiCa Member. Pozycjonowanie elementów zawsze było kompromisem między analizą a rzeczywistością. Elementy mogą zostać przesunięte w trakcie wytwarzania, aby ułatwić ich spawanie – często prowadzi to do problemów w modelu obliczeniowym. W IDEA StatiCa możemy modyfikować mimośrody, aby uwzględnić tę niezgodność.
W Connection należy pamiętać o dopasowaniu modelu do modelu analitycznego, zwracając uwagę na Model Type. Jeśli zamierzasz zastosować połączenia jednośrubowe w tradycyjnej blasze węzłowej, musisz pamiętać o odpowiedniej zmianie Model Type – na N,Vy,Vx – czyli taki, który nie przenosi momentów. Jeśli jednak Twoje połączenie (jak wtym przykładzie) może przenosić moment, ten krok można pominąć.
Praca z rzeczywistymi obliczeniowymi kombinacjami obciążeń jest niezbędna, aby uzyskać bezpieczny i efektywny model połączenia oraz sprawdzenie normowe. Wykonując cztery proste operacje w celu utworzenia w pełni spawanego złącza, widzimy, że wszystkie krytyczne efekty obciążenia (nasze kombinacje obliczeniowe) zostały kolejno sprawdzone i wszystkie spełniają wymagania.
Krok 4 – Sprawdzanie elementów
Drugie połączenie można zaprojektować w podobny sposób, a następnie sprawdzić stężenie w IDEA StatiCa Member.
Pokazuje to jednak, że istnieje duże pole do dalszej optymalizacji materiałowej i połączeń, ponieważ wiele elementów kratownic jest przewymiarowanych, aby skompensować brak zaawansowanej analizy.
Uwagi końcowe
Kratownice stanowią istotną część inżynierii konstrukcyjnej, a ich zastosowania będą coraz śmielsze. Postęp w zakresie materiałów i metod budowy sprawi, że w nadchodzących latach pojawią się nowe projekty i koncepcje – jestem tego pewien. Podejście IDEA StatiCa polegające na pełnieniu roli magazynu danych postrzegam jako najlepsze z obu światów: eksperci z dziedziny MES mogą nadal rozwijać światowej klasy rozwiązania, a my wykorzystujemy ich wyniki i model do tworzenia modeli połączeń i sprawdzania elementów – w tej dziedzinie jesteśmy najlepsi w swojej klasie!
Mam nadzieję, że ta wyprawa w świat kratownic przypadła Ci do gustu i że wiesz już, jak my w IDEA StatiCa możemy Ci pomóc na kilka sposobów. Wkrótce pojawi się powiązany artykuł o stężeniach.
